电子信息智能纺织品的研究与应用

胡铖烨,洪剑寒,2,缪宏超,2,Ignacio Gil

(1.绍兴文理学院纺织服装学院，浙江 绍兴 312000；2.浙江省清洁染整技术研究重点实验室，浙江 绍兴 312000；3.西班牙加泰罗尼亚理工大学，巴塞罗那 特拉萨 08222)

基于快速变化的全球需求和技术进步，纺织品响应功能的发展推动了智能纺织品的出现。智能纺织品定义为能够根据热、力、光、电、磁或其他基础条件对环境或刺激进行感觉并产生反应的材料。智能纺织品总体分为两大类，即被动智能纺织品和主动智能纺织品。前者可以根据环境刺激来改变自身的状态，而后者则配备了传感器和执行器，可以主动地从环境中检测多个信号，然后给出正确的响应[1]。随着科技的发展和世界范围内的数字化，服装开始通过与电子的结合成为一种新型的高科技产品。电子信息智能纺织品是一种新兴的产品，需要一种跨越传统工业边界的设计方法。这个具有挑战性的跨学科研究领域汇集了信息技术、微系统和纺织品方面的专家，以便在发展中取得可穿戴监测、计算系统和无线通信应用的突破[2]。本文就电子信息智能纺织品的概念、发展以及应用进行综述，并对电子信息智能纺织品的未来进行了展望。

1 电子信息智能纺织品的内涵

1.1 电子信息智能纺织品的概念

电子信息智能纺织品也被称e-纺织品，是智能纺织品中较为特殊的一类。电子信息智能纺织品是将柔性微电子元件与纺织品结合为一体，使传感器能感知外界环境的变化，通过电子信息处理器对信息进行处理并发出指令，再通过驱动器改变材料的状态，如颜色、形状、温度等，从而达到对外界环境的适应。整个过程中，电子信息智能纺织品做到了自我诊断、自我调节和自我修复的功能[3]。电子信息智能纺织品的主要研究领域是电子工业、通信系统、军事应用、娱乐和保健行业。

1.2 电子信息智能纺织品发展阶段

电子信息纺织品的发展并不是很长，是在满足日常服用基础上，伴随着电子器件和新材料的发展而产生的。电子信息智能纺织品起源于20世纪70年代，至今大致经历了两个阶段的发展[4]。早期的电子智能纺织品是采用一些手工的方法，将电子元件缝制在服装上。第一款可穿戴的电子信息智能服装由飞利浦公司研发制作，这套服装包含了娱乐和通讯功能，但存在不可折叠、不可洗涤的缺陷，且由于是手工制造，不适合大规模的生产。伴随着纺织技术的提升、纺织材料的发展，电子信息智能纺织品进入了第二个发展阶段。该阶段将传统的织物织造技术与新一代材料相结合，创造出可穿戴技术的智能织物，在电子信息智能纺织品的生产过程中，既可以选择导电纱线来织造，也可以采用表面涂层、印刷等方法将电子器件植入织物中，通过这些方法得到的织物可以产生形变，部分还可以清洗[5]。

2 电子信息智能纺织品的应用

2.1 时装领域

早期的电子信息智能纺织品主要应用于时装展览中，通过将电子元件与服装的结合，使得服装能够达到所需的效果。例如，通过直接在服装上植入键盘、音乐合成器、电池等元件，使穿戴者通过服装可以播放、演奏音乐[6]；由美国设计师Elise设计的发光雨衣，能够在下雨天穿戴时发光。其原理在于雨衣表面安装了许多能感应雨水的传感器，这些传感器与雨衣内部的电致发光材料相连接，因此当雨滴落于雨衣表面时，其对应的发光材料就会产生响应，发出光亮[7]。

光纤器件的操作方便、连接简单、与人体具有良好的生物相容性等特点，受到了很多研究者的关注。通过将光纤集成到合适的纺织结构中，可以在可穿戴设备的任何部分实现光的传输或发射，也就是说，光纤技术可以通过可穿戴方式到达人体的任何部位。这使得光纤成为嵌入纺织结构复合材料的理想材料[8]。利用光纤的侧向光发射原理，已经开发出许多具有吸引力和变化色彩的可穿戴产品。深圳时尚发光科技有限公司已商业化这种光纤照明技术，制作了一系列的可穿戴的服装(如夹克、裙子和裤子)和附件(如口罩、帽子、领带)，如图1所示。韩国Se-yang纺织品公司也已开发了一款类似的产品，它可以在不同的运动和照明水平下显示不同的图案。通过将微穿孔处发射光的原始颜色与添加的辐照引导光或反射环境光的颜色混合，可以改变设计的发光光纤织物的颜色。

图1 可穿戴式光纤照明技术

2.2 健康监测领域

电子信息智能纺织品的一大应用领域是医疗监测领域。通过在纺织品中电子元件的植入，导电纤维、导电聚合物涂层、印刷等形式的使用，能够实现实时监测人体体征，并起到一定的治疗作用，而不用去医院或者其他特定地点进行身体的检测和治疗。Wu等人[9]将导电聚合物聚吡咯涂在莱卡织物表面，从而制备了一款智能护膝套。它可以通过发出声音向穿戴者提供反馈。护膝套作为电路中的动态电子元件，当涂层织物被拉伸时，织物电阻的变化导致电路输出的变化，因此根据涂层织物的应变会发出不同的声音，可以用来监测人体的运动。Abro等人[10-11]开发了一种新的柔性智能服装，通过在不同关节位置拼接柔性传感器来感知静态和运动中的关节弯曲角度。采用伸缩传感器可以灵活地接触穿戴者的皮肤，且可以通过腕部、肘部和膝关节的不同弯曲角度进行校准。实验结果表明，在一定时间内连续测量人体关节变形，不会给穿戴者带来不适，在骨骼损伤监测系统中具有可穿戴性和便携性。Esfahani等人[12]开发并评估了一种新型智能汗衫，它被设计用来监测下背部和肩部的运动。这套传感器由可拉伸汗衫、电子元件和11个印在衣服上的人体传感器组成。这种汗衫是第一款使用纺织印花传感器来追踪下背部和肩部运动的智能服装，其主要目的是用于康复者运动的监测。

对于普通人而言，常规理疗的费用较高，为了降低成本，可使用高质量的医疗器械来治疗疼痛。由于膝关节疼痛是最常见的疼痛之一，利用电子设备进行物理疗法治疗膝关节疼痛的概念已经实现。一种基于纺织品的可穿戴电子纺织品，其电极部分由纺织层、导电层和电极层三层功能层构成，可提供干扰法治疗膝关节疼痛，使用该电子纺织品后疼痛明显减轻，且没有任何副作用。Priya等人[13]同样制备了一款治疗膝关节疼痛的可穿戴智能纺织品，该纺织品类似于普通的护膝，但具有集成振动、交替加热和冷却系统，患者可以选择膝关节中需要施加压力的预定义区域，通过智能手机控制，无线连接到护膝。

2.3 体育运动领域

除了在医疗监测领域的应用外，电子信息智能纺织品在体育运动领域也有一定的研究与应用。Park等人[14]设计了一款智能运动服，在原型服装的腰部插入了一个应变仪，如图2所示。该服装由棉/氨纶针织面料制成，经过纳米银和氟硅烷处理，具有抗菌和自清洁效果。采用空气注入的方法模拟了腰围的变化，同时测量了电子应变片的电阻。衣服上安装了万用表来检测和监测运动的大小、方向和速度。Lin[15]研究设计并开发了一种基于智能服装的智能运动引导系统。该系统由三个模块组成：前端心电信号传感装置、中端运动控制应用程序和后端云服务器。普通布料嵌入传感器和导电纤维组成了心电图传感组件。除此之外，作者还设计了一种由松紧带和尼龙搭扣带组成的张力调节系统，用于调节心电信号传感元件与皮肤之间的接触张力，同时还设置了音乐节拍，被用来指导锻炼。这款多功能智能服装能够帮助穿戴者进行有效、健康的运动。Belbasis等人[16]设计了一款智能压缩服装(SCG)，能够有效评估运动者的肌肉运动和肢体定位。用于测试的SCG包含5个传感器，能够通过基于标记的视频分析来确定膝关节屈曲角度，从而测量下肢关键肌肉群上方的织物与皮肤之间的压力。

图2 智能运动服

2.4 特殊防护服领域

防护服装是为了保护穿戴者免受恶劣环境和各种可能导致伤害或死亡的威胁。根据其最终用途，防护服装可以具有一种或多种功能特性，如防水、阻燃、防弹、防冷热天气、耐化学品等。除了这些保护特性外，一些功能性服装还具有电子功能，可用于娱乐、医疗、安全和通信。

2.4.1 消防智能服

救援人员和消防员是在艰苦条件下工作的专业人员，在工作时，他们的判断可能会受到体力、温度、压力的影响。因此，了解和评估消防人员所处的情况，对行动指挥部做出行动执行的决策至关重要。欧洲的一项PROETEX项目，为消防员和救援人员开发智能服装，帮助他们和他们的总部了解在危险领域的紧急救援人员的位置、能力和遇到的风险[17]。PROETEX项目开发的服装包括了一件T恤，可以通过传感器评估穿戴者的心电图、呼吸情况、脱水情况等。主体服装由主电子系统组成，是人体网络的基础。这个网络将不同的传感器连接在一起，包括一个用于在户外情况下确定位置的全球定位系统(GPS)模块；几个用于活动和姿态确定的三轴加速度计；用于监测消防员环境的传感器，包括一个温度传感器、一个热流传感器和一个气体传感器。该网络通过纺织天线与蓝牙通信模块连接到远程通信模块。该网络还包括可以被该系统激活的警报，即当检测到特定危险情况时向消防员发出警报。

2.4.2 航海智能服

Kara等人[18]开发了一套电子系统，并将其集成到航海服中，以提供航海服的功能特性，航海服如图3所示。该电子系统被设计用来探测船上的船员，并在船员落水时发出警报信息。为此，系统采用了微控制器、蓝牙模块、GPS模块、全球移动通信系统模块和屏幕。此外，还在系统设计中加入了心率传感器和温度传感器，以获得船员的心率值，并提供有关周围环境温度的信息。在不影响原航海服的防水性能、重量和外观的前提下，该功能服装系统的应用有望加快救援行动，提高效率，保障船员的安全。

图3 智能航海服

3 结语

智能纺织品是纺织领域的一次重大突破，智能纺织品的涵盖范围不仅仅局限于可穿戴的纺织品，随着纺织材料的不断创新、不同学科的交叉融合，智能纺织品是多方向融合的一种发展趋势。虽然智能纺织品有许多的优点，但还存在不足，就电子信息智能纺织品而言，存在水洗性、穿着舒适性、传导性能差等问题，其中最重要的问题是绿色安全性，当这些智能材料应用于纺织品上时，有些与皮肤直接接触，则特别需要重视对人体是否有危害。总体而言，智能纺织品有很大的发展潜能，电子信息智能纺织品的研究与应用将为人们的生活提供便利，也将为传统服装带来创新发展。